Präzisionsrechnungen im Higgssektor - Wegbereitung zur Erschließung Neuer Physik

• Antragstellerin: Professorin Dr. Milada Margarete Mühlleitner
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 318580798

Das Standardmodell (SM) der Teilchenphysik fasst die uns heute bekannten grundlegenden Strukturen der Materie und Kräfte zusammen. Eine seiner Säulen ist der Higgsmechanismus zur Erzeugung der Teilchenmassen. Obwohl bislang durch präzise Messungen sehr genau getestet, besitzt das SM Unzulänglichkeiten, die neue Physik (NP) erfordern. Die Suche nach NP und die Erforschung des Higgsmechanismus gehören zu den Hauptaufgaben des Large Hadron Colliders (LHC). Das mit dem Higgsmechanismus verbundene Higgsteilchen wurde fast fünfzig Jahre nach seiner Postulierung am LHC entdeckt. Jedoch wurde bisher keine NP entdeckt, abgesehen von möglichen Hinweisen, die zu ihrer Klärung weitere experimentelle Daten benötigen. Das Higgsboson ist selbst zu einem Werkzeug für die Erforschung der NP geworden. Diese kann sich in Abweichungen der Higgskopplungen an die übrigen SM-Teilchen bemerkbar machen, was die Produktions- und Zerfallsraten ändert. Die aktuelle Genauigkeit in den Higgsraten lässt durchaus Interpretationen im Rahmen von NP zu. Um die Higgsdaten jedoch richtig interpretieren und Rückschlüsse auf das zugrunde liegende Modell ziehen zu können, müssen von der Theorie genaueste Vorhersagen bereitgestellt werden, die dann in Fits an die experimentellen Daten überprüft werden. Die Unmenge an NP Modellen erfordert ein systematisches Vorgehen bei ihrer Erforschung. Im Rahmen dieses Projekts werden wir in einem 'bottom-up' Zugang einige der einfachsten Erweiterungen des SM-Higgssektors untersuchen, die mit den bisherigen experimentellen und theoretischen Einschränkungen verträglich sind: das 2-Higgs-Dublett-Modell (2HDM), seine einfachste Erweiterung um ein Singulett (N2HDM), das SM erweitert um ein reelles und komplexes Singulett (RxSM und CxSM) und das nächst-minimale supersymmetrische Modell (NMSSM). Deren Higgssektoren enthalten alle mehr als ein Higgsboson, sind am kürzlich gestarteten LHC Run 2 zugänglich und werden zum Teil bereits in den experimentellen Analysen berücksichtigt. Wir werden die elektroschwachen Korrekturen zu den Higgszerfällen im Rahmen dieser Modelle berechnen. Anders als bei QCD-Korrekturen können diese nicht aus SM-Berechnungen übernommen werden. Die zu erwartenden Größen der Korrekturen werden für die korrekte Interpretation der Daten am LHC Run 2 relevant sein und unerläßlich für die Bestimmung der Higgseigenschaften, und somit der Bestimmung des zugrunde liegenden Modells, in der Hochluminositätsphase des LHC und an zukünftigen Linearbeschleunigern. Die durch das hier vorgeschlagene Programm erreichte Präzision in den Vorhersagen und die Verwendung derselben Methoden für die verschiedenen Modelle ermöglicht deren konsistenten Vergleich mit den Daten. Ziel der vorgesehenen phänomenologischen Analysen, in welchen wir alle relevanten experimentellen und theoretischen Beschränkungen berücksichtigen werden, ist die Identifizierung von Observablen und Signaturen zur Entdeckung der Higgsteilchen und der Unterscheidung der Modelle.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen